Messung der Geschwindigkeit - Fahrtmesser
Generell gibt es mehrere grundlegende Varianten für die Geschwindigkeitsmessung eines Luftfahrzeuges:
- Aerometrische Geräte
Die Fahrtmesser werten Druckdifferenzen aus, die bei der Bewegung des Luftfahrzeuges in der umgebenden Luft entstehen. Mit diesen Geräten kann nur eine Geschwindigkeit gegenüber der Luft bestimmt werden, die für navigatorische Angaben wichtigere Geschwindigkeit gegenüber dem Boden ist nicht unmittelbar messbar. - Messung der Bewegung gegenüber dem Erdboden per Dopplerradar (Funk/Funkmess)
- Auswertung der Kräfte in einem Trägheitsnavigationssystem
Massenköper werden in diesem Navigationssystem bei einer beschleunigten Bewegung des Luftfahrzeuges ausgelenkt. Über die gemessenen Kräfte wird direkt die Beschleunigung bestimmt, durch eine Integration über die Zeit lassen sich auch andere Parameter wie Geschwindigkeit und zurückgelegte Wegstrecke bestimmen. Die Trägheitsnavigation ist ein sehr aufwendiges System, wurde und wird m.W. in der Raketentechnik und modernerer Flugzeugtechnik (sofern sie großräumig fliegen muss) intensiv genutzt. - Bestimmung der Koordinaten per GPS
Aus der zurückgelegten Entfernung und der Zeit lässt sich die Geschwindigkeit gegenüber dem Erdboden bestimmen. - Bestimmung der Koordinaten/ Annäherung durch ein Funkmessmittel zur Entfernungsbestimmung (z.B.DME)
Während die ersten Verfahren autonom arbeiten (sie kommen mit Meßeinrichtungen ausschließlich an Bord des Luftfahrzeuges aus), sind GPS und Funkmessverfahren (Annäherung an eine Bodenstation) kooperative Methoden, da hierbei Hilfsmittel außerhalb des Flugzeuges vonnöten sind.
An dieser Stelle soll als Gerät nur der aerometrische Fahrtmesser betrachtet werden.
Als Fahrtmesser kommen in Luftfahrzeugen Geräte zum Einsatz, die die Geschwindigkeit gegenüber der sie umgebenden Luft messen, da diese wichtig für das aerodynamische Verhalten des Hubschraubers/ Flugzeuges ist. Grundsätzlich existieren zwei Arten der Messung der Fahrt:
- Staudruckmesser (Staurohr, Prandtl-, oder Pitot-Rohr)
Am Ausgang stehen der statische Druck als Druck der ruhenden umgebenden Luft und der Gesamtdruck (unmittelbare Anströmung des Staurohrs) zur Auswertung bereit. - Saugdüsenmesser (Venturirohr, Venturidüse)
Am Ausgang stehen der statische Druck und ein Unterdruck (als Druckdifferenz zwischen statischem und Gesamtdruck) zur Verfügung.
Grundlage für die auswertbaren Druckdifferenzen ist das Gesetz von Bernoulli, nach dem die Summe aus statischem Druck (der Druck der ruhenden umgebenden Luft) und dynamischem Druck (Druck, der durch die Bewegung der Luft geschwindigkeitsabhängig entsteht) konstant ist. Auf Grundlage des gemessenen Gesamtdrucks und des statischen Drucks kann der dynamische Druck berechnet werden. Dieser ist gemäß der obigen Gleichung abhängig vom Quadrat der Geschwindigkeit und natürlich von der Luftdichte.
In den sowjetischen Hubschraubern wird mit Staudruck-Fahrtmessern gearbeitet. Die Venturidüsen kommen z.B. in einer MiG-21 zum Einsatz.
Bei der Anzeige wird eine Aneroiddose eingesetzt, die vom Gesamtdruck entsprechend "aufgeblasen" wird. Da um die Dose in ihrem luftdichten Gehäuse der statische Druck anliegt, entspricht die Ausdehnung der Dose der Differenz zwischen beiden, also dem dynamischen Druck und ist damit proportional der Geschwindigkeit. Die Fahrt wird über ein Zeigersystem zur Anzeige gebracht. Zum Teil werden in schnelleren Luftfahrzeugen Mehrfachskalen verwendet, um bei hinreichender Anzeigegenauigkeit auch hohe Geschwindigkeiten darstellen zu können.
Besonderheiten in der mechanischen Konstruktion sind bei Flügen in größeren Höhen vonnöten, da sich hier mehrere relevante Messgrößen ergeben. Zum einen gibt es die Gerätegeschwindigkeit, die mit dem oben beschriebenen Messverfahren bestimmt wird. Die Gerätegeschwindigkeit ( IAS - indicated air speed) gibt die Geschwindigkeit an, die dem auftretenden Staudruck entspricht. Ausschlaggebend ist diese Größe für die aerodynamische Wirksamkeit der auftriebserzeugenden Elemente, also auch der Ruder usw. Der Staudruck nimmt mit der Höhe ab, da die Luftdichte sinkt. Die Gerätegeschwindigkeit bleibt damit hinter der wahren Geschwindigkeit (TAS - True air speed) gegenüber der Luft zurück. Die wahre Geschwindigkeit muss daher unter Berücksichtigung des abnehmenden statischen Drucks bestimmt werden. In der Praxis werden oftmals kombinierte Anzeigegeräte verwendet, die zwei Zeiger jeweils für die wahre und die Gerätegeschwindigkeit haben.
Anzeige der Steig- und Sinkgeschwindigkeit - Variometer
Das Variometer dient der Anzeige der Steig- oder Sinkgeschwindigkeit gegenüber der umgebenden Luft. Hierbei wird die Veränderung des statischen Drucks mit der Höhe genutzt.
Üblich sind
Dosenvariometer (wichtigste Art)
Der statische Druck wird aus dem Staurohr in das Variometer geleitet. Im druckdichten Variometergehäuse herrscht ein Druck, der sich über die Kapillare nur berechnet langsam mit dem zugeführten statischen Druck ausgleichen kann. Ein erhöhter statischer Druck, was einem Sinken entspricht, führt also zu einer Ausdehnung der Dose und einer entsprechenden Anzeige. Wird das Sinken beendet, gleicht sich der Druck im Gehäuse mit dem in der Dose aus und der Zeiger geht wieder in Nullstellung. Die Anzeige erfolgt in m/s oder nach heutiger "Fuß-Technologie" in 100 Fuß/Minute.- Stauscheibenvariometer
E eine drehbare Scheibe trennt die beiden Kammern mit dem Gehäuse- und dem statischen Druck. Der Druckausgleich erfolgt über den Spalt zwischen Gehäuse und Stauscheibe.
Höhenmesser
Der Höhenmesser dient der Anzeige der Höhe über einer Luftdruck-Bezugsebene, wobei i.d.R. am Höhenmesser als Bezug die Höhe des Flugplatzes (QFE) eingestellt wird (oder andere befohlene Werte, wie QNHFPoder Standarddruck 1013hPa). Als Messgrundlage wird der statische Druck herangezogen, der gemäß der barometrischen Höhenformelmit der Höhe abnimmt.
Der dem Gehäuse zugeführte statische Druck wird mit zunehmender Höhe geringer, die luftdichte Aneroiddose dehnt sich dabei aus und überträgt die Bewegung an ein Zeigersystem. Das Zeigersystem wird i.a. mit einem Getriebe auf mehrere Zeiger oder ein Zeiger mit zusätzlicher Ziffernazeige in der Skale erweitert, damit große Höhenbereiche mit hinreichender Genauigkeit abgedeckt werden können. Der in den Mi-Hubschraubern eingesetze Höhenmesser WD-30 ist ein Zweizeigergerät. Der große Zeiger zeigt die Höhen innerhalb eines Tausenderbereichs an, während ein zusätzlicher kleiner Zeiger die Tausender markiert.
Die Nullstellung des Zeigers kann mit einem Stellknopf reguliert werden. Dies ist notwendig, da die Bezugsebene (Luftdruck) stetig wechselt. Zum einen ist dies wetterbedingt, zum anderen herrschen an unterschiedlichen Landeplätzen unterschiedliche Luftdrücke, da sie i.a. eine unterschiedliche Höhe über dem Meeresspiegel haben. (Höhen im Thema Navigation). Die Anzeige der Bezugsebene erfolgt in einem kleinen Sichtfenster in der Form der Luftdrucks, also z.B. 760hPa.
Das statisch-dynamische System des Hubschraubers Mi-8
Das statisch-dynamische System nimmt die statischen und Gesamtdrücke über die Staurohre auf und leitet diese über Rohr-und Schlauchleitungen an die Anzeigegeräte weiter. Am Hubschrauber sind 2 Staurohre angebracht, die jeweils das linke bzw. rechte Gerätepult mit dem Gesamtdruck versorgen (Fahrtmesser). Im linken System ist ein Dämpfer integriert, der ein Vibrieren der Luftsäule und damit ein übermäßiges "Zappeln" des Fahrtmessers verhindert. Im rechten System ist durch den Autopilot-Anschluss eine weitere Dämpfung nicht erforderlich.Die abgenommenen statischen Drücke werden über einen Umschalter geführt, mit diesem werden in Normalstellung beide gemessenen Drücke zusammengeführt und an die Geräte weitergeleitet. Bei besonderen Fällen, wie z.B.einer Beschädigung eines Staurohrs oder bei Vereisung, kann das defekte Staurohr über den Umschalter aus dem Messkreis ausgeschaltet werden.Der konstruktive Aufbau des Systems bietet also zwei nahezu unabhängige Systeme für die Anzeige von Geschwindigkeit, (barometrische) Höhe und Steigen/Sinken.
Über das rechte Staurohr wird ebenfalls für den Autopiloten das Messsignal zurVerfügung gestellt. Zu beachten ist bei nichtfunktionierendem rechtem Staurohr, dass der Autopilot nicht ordungsgemäß zum Halten von Höhe und Geschwindigkeit eingesetzt werden kann.